Skladování energie, baterie, lithium a nanomateriály

Skladování energie, baterie, lithium a nanomateriály

Thu May 18 11:52:56 CEST 2017

Energie větru a slunce mají pomoci pokrýt rostoucí potřeby energie. Jejich plné využití však vyžaduje vyřešit problém skladování energie. Napomoci tomu mají mimo jiné lithium-iontové (Li-ion) a sodíkovo-iontové (Na-ion) technologie, jimiž se zabývají v Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR.

Jedním z nejzávažnějších problémů, jimž bude lidstvo v nadcházejících desetiletích čelit, je nedostatek energie. Zásoby fosilních paliv se tenčí, takže při jejím zajišťování budou hrát stále větší roli obnovitelné zdroje, hlavně energie slunce a větru. K jejich širokému využití je však potřeba překonat i nevýhodu přerušovaného charakteru dodávání energie, jenž pramení z kolísající intenzity slunečního záření a větru. Ani dodávky energie z jaderných a tepelných elektráren nelze jednoduše vypínat a zapínat, aby vykryly okamžité výkyvy v poptávce po elektrické energii. Důsledkem je nesoulad mezi produkcí a spotřebou energie, který dramaticky zvyšuje potřebu hledat nové, účinné způsoby skladování energie, které by měly dostatečnou kapacitu, aby dokázaly vyrovnat rozdíly mezi produkcí a spotřebou a bez problémů dodávat energii do sítě přesně tehdy, kdy je jí potřeba. Zatím nejvýznamnějším akumulačním prostředkem sloužícím k tomuto účelu jsou přečerpávací elektrárny, které v době přebytku elektřinu akumulují do potenciální energie vody a tu posléze v době zvýšených nároků na energii využívají k výrobě elektřiny. Další možností jsou akumulátory skladující energii na jiných principech, nejčastěji využívající přeměnu elektrické energie na energii chemickou.

Mezi perspektivní způsoby skladování energie, jimiž se zabývají vědci v Akademii věd ČR, se řadí lithiové a sodíkové baterie, respektive lithium-iontové (Li-ion) a sodíkovo-iontové (Na-ion) technologie, jež zkoumají v Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR (ÚFCH JH). O současných směrech výzkumu a nejnovějších poznatcích informoval ve své přednášce prof. RNDr. Ladislav Kavan, CSc., DSc., vedoucí oddělení elektrochemických materiálů ÚFCH JH. Své vystoupení nazval „O Li-ion bateriích, Cínovci a „omylech velikánů“. Li-ion baterie jsou totiž v současnosti nejvyužívanějším způsobem skladování energie: poprvé se objevily začátkem 90. let minulého století a najdeme je v elektronických zařízeních, s nimiž se setkáváme každodenně – od fotoaparátů přes mobilní telefony či notebooky až po elektromobily. Předpokládá se, že budou stále častěji sloužit také ke skladování elektrické energie z fotovoltaických panelů.


prof. RNDr. Ladislav Kavan, CSc., DSc., vedoucí oddělení elektrochemických materiálů ÚFCH JH

Výzkum nových typů lithiových baterií je proto významný nejen pro spotřební elektroniku, ale i pro výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů, stabilizaci rozvodných sítí a pro rozvoj elektromobilů, připomněl prof. Kavan. Baterie, které by měl široce využívat jak průmysl, tak energetika, proto musí mít nejen dostatečnou kapacitu, ale i být bezpečné. Pro potřeby skladování energie musí být schopné elektřinu uložit v době, kdy je jí v síti přebytek, a uvolnit ji ve chvíli nedostatku. A – což je zvlášť důležité – také výrobní náklady musí být nízké. V tom je však problém u Li-ion technologií: zásoby lithia v zemské kůře jsou relativně omezené, čemuž odpovídá i jeho cena, třebaže Česká republika má v tomto ohledu výhodu díky významným zásobám těžitelného lithia v oblasti kolem Cínovce. Nalézá se zde patrně asi 6 % světových zásob. Z výše uvedených důvodů odborníci hledají levnější a dostupnější možnosti. Jednou z nich, v současné době již zkoumanou, je sodík. První komerční prototypy Na-ion baterií byly představeny teprve před několika málo lety a zatím nemohou technologii Li-ion konkurovat mj. kvůli své nižší specifické kapacitě, laicky řečeno kvůli nižšímu množství elektrické energie, které je možné akumulovat v jednotce hmotnosti nebo objemu. V této souvislosti Ladislav Kavan poukázal i na možnosti využití dalších prvků, např. hořčíku (Mg2+) nebo hliníku (Al3+). Zároveň nastínil i otázky, nakolik skutečně potřebujeme v bateriích nahradit lithium (světové zásoby na souši, bez oceánů, se odhadují na 14 až 40 miliónů tun, což by stačilo pro baterie asi do 10 miliard dnešních automobilů), nakolik obtížné je jeho získávání v podobě vhodné pro baterie, co se stane s vyřazenými Li-ion bateriemi, jak rozvinutý či složitý je proces jejich recyklace atd.

Třebaže výzkum a vývoj může ještě jejich vlastnosti vylepšit, Li-ion i Na-ion technologie mají specifické problémy. Možnosti klasických elektrodových materiálů pro ukládání lithia či sodíku dosavadními způsoby (tj. tzv. insercí/interkalací) jsou podle Ladislava Kavana fyzikálně omezené a do značné míry již probádané. Poukázal nejen na úspěchy, ale také na problémy a omyly, které jsou s touto technologií spojené. (S velkou pravděpodobností je takovým omylem i práce o alternativní strategii pro bezpečné baterie, kterou nedávno publikoval jeden z nejslavnějších badatelů na tomto poli /Energy Environ.Sci. 10, 221, 2017/). Ve své přednášce L. Kavan obrátil dále pozornost na nové koncepce spojené především s nanomateriály, do nichž se vkládají značné naděje, mimo jiné proto, že v laboratorním měřítku vykazují rychlejší nabíjení/vybíjení a v některých případech i vyšší kapacitu, a nabízejí tudíž generačně vyšší úroveň technologií pro skladování energie.

Připravila: Jana Olivová, Odbor akademických médií SSČ, AV ČR
Foto: Stanislava Kyselová, AV ČR